Leven — Een verbazende verzameling ketens

HEBT u weleens over uw lichaam gedacht als een verzameling microscopisch kleine ketens? Misschien niet. Maar in feite maken levende organismen „op het niveau van hun kleinste relevante componenten” gebruik van „de keten als grondbeginsel”, aldus het boek The Way Life Works. Daarom kan slechts een klein defect in enkele van die ketens een grote invloed op onze gezondheid hebben. Wat zijn dat voor ketens? Hoe werken ze? En hoe houden ze verband met onze gezondheid en ons welzijn?

Eigenlijk gaat het om ketenvormige moleculen die in twee hoofdcategorieën te verdelen zijn. De moleculen waar we het in dit artikel over zullen hebben, zijn de eiwitten. De andere zijn de moleculen die genetische informatie opslaan en doorgeven — DNA en RNA. Natuurlijk staan die twee groepen nauw met elkaar in verband. Feitelijk is een van de belangrijkste functies van DNA en RNA het produceren van de grote verscheidenheid van eiwitten in levende organismen.

Katalysatoren, bewakers en steunpalen

Eiwitten zijn verreweg de meest gevarieerde van de grotere moleculen in levende organismen. Tot de eiwitfamilie behoren antilichamen, enzymen, boodschappers, structurele eiwitten en transporteiwitten. De grote verscheidenheid van antilichamen, of immunoglobulinen, verdedigen het lichaam tegen vreemde indringers zoals bacteriën en virussen. Andere globulinen bevorderen het dichten van bloedvaten die door een verwonding beschadigd zijn.

Enzymen dienen als katalysatoren: ze versnellen chemische reacties, zoals de reacties die bij de spijsvertering betrokken zijn. In feite „zou u zonder enzymen snel verhongeren, want het zou vijftig jaar kosten om  een gemiddelde maaltijd te verteren”, aldus het boek The Thread of Life. Enzymen werken volgens het principe van een lopende band: elk eiwit voert een specifieke taak uit. Het enzym maltase bijvoorbeeld splitst maltose, een suiker, in twee glucosemoleculen. Lactase breekt lactose, of melksuiker, af. Andere enzymen koppelen verschillende atomen en moleculen aan elkaar en maken er een nieuw product van. En ze doen hun werk in een verbluffend tempo. Eén enkel enzymmolecuul kan duizenden chemische reacties per seconde katalyseren.

Sommige eiwitten worden als hormonen geclassificeerd en werken als boodschappers. Ze worden de bloedbaan in gestuurd en stimuleren of vertragen de activiteit van andere lichaamsdelen. Insuline bijvoorbeeld stimuleert de cellen om glucose, hun bron van energie, op te nemen. Structurele eiwitten zoals collageen en keratine zijn de belangrijkste bouwstenen van kraakbeen, haar, nagels en huid. Al deze eiwitten zijn „voor de cel het equivalent van steunpalen, balken, triplex, cement en spijkers”, zegt The Way Life Works.

Transporteiwitten in celmembranen dienen als pompen en kanalen waardoor stoffen de cellen in of uit kunnen. Laten we nu eens zien waar eiwitten uit bestaan en hoe hun ketenvormige structuur verband houdt met hun functie.

Complexiteit gebaseerd op eenvoud

Een alfabet is een basiselement van veel talen. Met die letterlijst worden woorden samengesteld. En van die woorden worden weer zinnen gemaakt. Op moleculair niveau maken levende organismen gebruik van hetzelfde principe. Het DNA verschaft een moeder-’alfabet’. Wonderlijk genoeg bestaat dit alfabet uit maar vier letters — A, C, G en T, wat symbolen zijn voor de scheikundige basen adenine, cytosine, guanine en thymine. Van deze vier basen vormt DNA met behulp van RNA aminozuren, die met woorden vergeleken kunnen worden. Maar in tegenstelling tot normale woorden hebben aminozuren allemaal evenveel letters, namelijk drie. „Machines die eiwitten maken”, ribosomen genaamd, rijgen de aminozuren aaneen. De zo ontstane ketens, of eiwitten, kunnen met zinnen vergeleken worden. Een gemiddeld eiwit heeft meer onderdelen dan een gesproken of geschreven zin, want het kan wel drie- tot vierhonderd aminozuren bevatten.

 Volgens een naslagwerk komen er in de natuur honderden aminozuren voor, maar in de meeste eiwitten worden slechts zo’n twintig soorten aangetroffen. Deze aminozuren kunnen in een bijna eindeloos aantal combinaties gerangschikt worden. Een voorbeeld: als slechts twintig aminozuren een keten met een lengte van honderd aminozuren vormen, kan die keten op meer dan 10¹⁰⁰ manieren — dat is een één met honderd nullen — gerangschikt worden!

Vorm en functie van eiwitten

De vorm van een eiwit is cruciaal voor de rol die hij in de cel speelt. Hoe bepaalt een keten aminozuren de vorm van een eiwit? Anders dan de losse schakels in een ketting van metaal of plastic rijgen aminozuren zich onder een bepaalde hoek aaneen, waardoor regelmatige patronen ontstaan. Sommige van die patronen lijken op de windingen van een telefoonsnoer of op de vouwen van een geplooid kledingstuk. Deze patronen worden dan tot een ingewikkelder driedimensionale structuur ’gevouwen’ of gevormd. De vorm van een eiwit is beslist niet toevallig. Die is juist essentieel voor zijn functie, en dat wordt maar al te duidelijk als er een defect in de aminozuurketen optreedt.

Als de keten een defect vertoont

Als eiwitten een defect in de aminozuurketen hebben of verkeerd gevouwen zijn, kunnen ze een aantal ziekten veroorzaken, zoals sikkelcelanemie en cystic fibrosis. Sikkelcelanemie is een erfelijke ziekte waarbij de hemoglobinemoleculen in de rode bloedcellen abnormaal zijn. Een hemoglobinemolecuul bestaat uit 574 aminozuren die in vier ketens gerangschikt zijn. Een verwisseling van slechts één aminozuur in twee van de vier ketens verandert normale hemoglobine in de sikkelcelvariant. Cystic fibrosis wordt in de meeste gevallen veroorzaakt door een eiwit dat op een cruciale plaats in de aminozuurketen het aminozuur  fenylalanine mist. Dit defect is onder andere van invloed op het water-zoutevenwicht in het slijmvlies dat het spijsverteringskanaal en de longen bekleedt, waardoor het slijm op deze oppervlakken abnormaal dik en taai wordt.

Een ernstig gebrek aan of totale afwezigheid van bepaalde eiwitten leidt tot aandoeningen als albinisme en hemofilie. De meest voorkomende vorm van albinisme, een tekort aan pigment, doet zich voor als een belangrijk eiwit, tyrosinase, defecten vertoont of ontbreekt. Dit is van invloed op de productie van melanine, een bruin pigment dat bij de mens gewoonlijk aanwezig is in de ogen, het haar en de huid. Hemofilie wordt veroorzaakt door een ernstig tekort aan of het ontbreken van eiwitfactoren die de bloedstolling bevorderen. Andere aandoeningen die worden toegeschreven aan gebreken vertonende eiwitten zijn lactose-intolerantie en spierdystrofie, om er slechts enkele te noemen.

Eén theorie over het ontstaan van een ziekte

De afgelopen jaren hebben wetenschappers hun aandacht gericht op een ziekte die door sommigen wordt toegeschreven aan een abnormale vorm van een eiwit dat een prion wordt genoemd. De theorie luidt dat iemand ziek kan worden doordat foute prionen zich verbinden met normale prioneiwitten, waardoor het normale eiwit verkeerd gevouwen wordt. Het gevolg is „een kettingreactie die de ziekte doorgeeft en nieuw besmettelijk materiaal produceert”, aldus het tijdschrift Scientific American.

In de jaren vijftig kwam er in Papoea Nieuw-Guinea voor het eerst een ziekte in de publieke belangstelling die misschien toe te schrijven was aan prionen. Bepaalde geïsoleerd levende stammen bedreven om godsdienstige redenen een vorm van kannibalisme, en dit leidde tot een ziekte die kuru werd genoemd en waarvan de symptomen vergelijkbaar waren met die van de ziekte van Creutzfeldt-Jakob. Toen de getroffen stammen dit godsdienstige ritueel opgaven, nam het aantal gevallen van kuru snel af en de ziekte komt nu praktisch niet meer voor.

Schitterend ontwerp!

Maar gelukkig zijn de eiwitten meestal goed gevouwen en verrichten ze hun taken met een verbazingwekkende samenwerking, efficiëntie en betrouwbaarheid. Dit is opmerkelijk als we bedenken dat er meer dan 100.000 soorten eiwitten in het menselijk lichaam zijn, allemaal gecompliceerde ketens die op duizenden manieren gevouwen zijn.

De wereld van de eiwitten is nog steeds grotendeels niet in kaart gebracht. Om er meer over te weten te komen, bedenken onderzoekers nu geavanceerde computerprogramma’s die de vorm van eiwitten kunnen voorspellen aan de hand van hun aminozuurvolgorde. Maar zelfs het kleine beetje dat we over eiwitten weten, bewijst ondubbelzinnig dat deze ’levensketens’ niet alleen bijzonder goed georganiseerd zijn, maar ook van een hoge intelligentie getuigen.

[Kader/Illustratie op blz. 27]

’Postcodes’ voor eiwitten

Om de bezorging van post te vergemakkelijken, verlangen veel posterijen dat op elke brief een postcode aan het adres wordt toegevoegd. De Schepper heeft van een soortgelijk ontwerp gebruik gemaakt om ervoor te zorgen dat eiwitten binnen de cel hun weg vinden. Zo’n maatregel is essentieel als u bedenkt dat het erg druk is in een cel, want die bevat wel een miljard eiwitten. Toch vinden nieuwgevormde eiwitten altijd hun weg naar hun werkplek dankzij een moleculaire ’postcode’ — een speciale streng aminozuren in het eiwit.

De celbioloog Günter Blobel won in 1999 een Nobelprijs voor het ontdekken van dit schitterende ontwerp. Toch deed Blobel alleen maar een ontdekking. Moet er dan niet nog meer eer gaan naar de Schepper van de levende cel met haar verbijsterende verscheidenheid van moleculen? — Openbaring 4:11.

[Diagram/Illustraties op blz. 24, 25]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

Hoe worden eiwitten gemaakt?

Cel

1 Het DNA in de celkern bevat instructies voor elk eiwit

DNA

2 Er wordt een stukje DNA opengeritst en van de genetische informatie wordt een boodschapper-RNA gemaakt

Boodschapper-RNA

3 Ribosomen — „eiwitmakers die boodschappen kunnen lezen” — binden aan het RNA

4 Transport-RNA’s brengen aminozuren naar het ribosoom

Losse aminozuren

Transport-RNA’s

Ribosoom

5 Terwijl het ribosoom het RNA ’leest’, rijgt het losse aminozuren in een specifieke volgorde tot een keten — het eiwit

Eiwitten bestaan uit aminozuren

6 Het ketenvormige eiwit moet zich nauwkeurig opvouwen om zijn functie te kunnen verrichten. Stel u eens voor: een gemiddeld eiwit is ruim 300 ’schakels’ lang!

Eiwit

We hebben ruim 100.000 soorten eiwitten in ons lichaam. Ze zijn van levensbelang

Antilichamen

Enzymen

Structurele eiwitten

Hormonen

Transporteiwitten

[Diagram/Illustraties op blz. 25]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

Hoe ’spelt’ DNA elk eiwit?

DNA G T C T A T A A G

DNA gebruikt maar vier ’letters’: A, T, C, G

A T C G

De DNA-’spelling’ wordt in een RNA-vorm getranscribeerd. RNA gebruikt U (uracil) in plaats van T

A U C G

Elke drieletterreeks vormt een specifiek ’woord’, of aminozuur. Bijvoorbeeld:

G U C = valine

U A U = tyrosine

A A G = lysine

Zo kan elk van de 20 gebruikelijke aminozuren worden ’gespeld’. De ’woorden’ worden aaneengeregen tot een keten, of ’zin’ — het eiwit

[Diagram/Illustraties op blz. 26]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

Hoe wordt een eiwit ’gevouwen’?

Losse aminozuren worden aaneengeregen tot . . .

1 een keten, en dan . . .

2 vormen ze patronen, zoals windingen of plooien, en dan . . .

Windingen

Plooien

3 worden ze tot een ingewikkelder driedimensionale structuur gevouwen, die misschien . . .

4 maar één subeenheid van een gecompliceerd eiwit is

[Illustratie op blz. 26]

In dit computermodel van een deel van een ribosomaal eiwit zijn kleuren gebruikt om de driedimensionale vorm te laten uitkomen. Structurele patronen zijn aangegeven met spiralen (windingen) en pijlen (korte geplooide stukjes)

[Verantwoording]

The Protein Data Bank, ID: 1FFK; Ban, N., Nissen, P., Hansen, J., Moore, P.B., Steitz, T.A.: The Complete Atomic Structure of the Large Ribosomal Subunit at 2.4 A Resolution, Science 289 pp. 905 (2000)

[Illustratieverantwoording op blz. 24]

Adapted drawings: From THE WAY LIFE WORKS by Mahlon Hoagland and Bert Dodson, copyright ©1995 by Mahlon Hoagland and Bert Dodson. Used by permission of Times Books, a division of Random House, Inc.